電力電子學：第6章 交流—交流變換器

1、電力電子學電力電子變換和控制技術 交流-交流變換器1電力電子學電力電子變換和控制技術 6.0 引言 6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型 6.2 單相交流電壓控制器 6.3 三相全波交流電壓控制器 *6.4 變壓器抽頭電壓控制器 *6.5 晶閘管相控交流/交流直接變頻器 *6.6 矩陣式交流/交流變頻器 6.7 本章小結6 交流交流-交流變換器交流變換器電力電子學電力電子變換和控制技術 本章主要講述 交流交流-交流變流電路交流變流電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路6.0 引言引言交流電壓 控制器頻率不變，僅改變電壓大小交流調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)功電路 通斷控制變頻器實現(xiàn)頻率變換亦可

2、改變電壓大小 交交變頻 直接 交直交變頻 間接 采用晶閘管作開關器件時，依靠交流電源瞬時值過零及反向關斷晶閘采用晶閘管作開關器件時，依靠交流電源瞬時值過零及反向關斷晶閘管。晶閘管開關器件的開通則可采用移相控制，改變控制角調(diào)控變換器輸出管。晶閘管開關器件的開通則可采用移相控制，改變控制角調(diào)控變換器輸出電壓的大小。電壓的大小。 單相電壓控制器常用于小功率單相電動機、照明和電加熱控制，三相交單相電壓控制器常用于小功率單相電動機、照明和電加熱控制，三相交流交流電壓控制器的輸出是三相恒頻變壓交流電源，通常給三相交流異步流交流電壓控制器的輸出是三相恒頻變壓交流電源，通常給三相交流異步電動機供電，實現(xiàn)異步電

3、動機的變壓調(diào)速，或作為異步電動機的啟動器使用電動機供電，實現(xiàn)異步電動機的變壓調(diào)速，或作為異步電動機的啟動器使用。 電力電子學電力電子變換和控制技術6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型晶閘管交流電壓控制器的類型 6.1.1 單相全控 6.1.2 帶中線星形聯(lián)結 6.1.3 無中線的三相連接 6.1.4 三角形聯(lián)結的控制器電力電子學電力電子變換和控制技術6.1.1 6.1.1 單相全控單相全控 sitVvsssin2Roiov1T4T（a） 單相全控通態(tài)時：)()(tvtvSO斷態(tài)時：0)(tvO兩個反并聯(lián)開關器件負載電壓、負載功率的大小由控制角 確定電力電子學電力電子變換和控制技術siV1T4T3

4、T6T5T2T（b） 帶中線星形聯(lián)接90時，中線電流約等于相電流6.1.2 帶中線星形聯(lián)結帶中線星形聯(lián)結三個單相交流電壓控制器可組合成帶中線的三相交流電壓控制器 缺點中線電流大電力電子學電力電子變換和控制技術siV（c） 無中線的三相聯(lián)接6.1.3 無中線的三相連接無中線的三相連接輸入電流中沒有3次及3的倍數(shù)次諧波電流電力電子學電力電子變換和控制技術NvANvBNvCNiAiBiCBACZLZLT1T4T6T3ZLT2T5(d) 聯(lián)接的控制器6.1.4 三角形聯(lián)結的控制器三角形聯(lián)結的控制器只適用于允許斷開6根出線端子的三角形負載電力電子學電力電子變換和控制技術6.2 單相交流電壓控制器單相交流

5、電壓控制器6.2.1 電阻負載 6.2.2 電阻、電感性負載 *6.2.3 PWM交流電壓控制器電力電子學電力電子變換和控制技術6.2.1 電阻負載電阻負載 利用傅立葉級數(shù)可求出基波及各次諧波。aVtdtVVSS2sin21)()sin2(120RVIIS/002sin21000SSSVVIVIVSPPFsitVvsssin2RoiOv1T4T1gi4gi4Ti1TitVvsssin20 02tRvio00 0t2A AB BC CD DovovRVIIST2/2/0電力電子學電力電子變換和控制技術6.2.1 電阻負載（續(xù)）表6.1 不同觸發(fā)角時基波mV1和315次諧波電壓(電流)的相對值電力

6、電子學電力電子變換和控制技術基波及諧波分布圖基波及諧波分布圖 圖6.3 電阻負載、不同觸發(fā)角時基波及諧波幅值分布圖電力電子學電力電子變換和控制技術6.2.2 電阻、電感性負載電阻、電感性負載sitVvsssin2RoiOv1T4TL1gi4gi4Ti1Ti(a) 電路（2） 時，同 。（1） 時，iivOSO,tVvvSSOsin2)sin(2tZViiSOS22)(RLZRL /arctan均為正弦波0 01Titt0 02sv4Tisisisv2(c)電流連續(xù)電感性負載波形2A A電力電子學電力電子變換和控制技術(3)dtdiLRitVvvTTSS110sin2)sin()sin(2)(1

7、1attgSTeatZVi)()sin()sin()2(2122tdeatZVItgatSaaTsin cos(2)cos2SVaZ )(2sin2sin1)()sin2(12SSOVtdtVVcos)2cos(sin2ZVIISTO輸出電壓有效值OV、晶閘管電流有效值TI、負載電流有效值OI為：6.2.2 電阻、電感性負載 （續(xù)1）0 01Titt0 02sv4Tisisisv2(c)電流連續(xù)電感性負載波形2A AovB B4Ti1Ti(d)電流不連續(xù)波形 電力電子學電力電子變換和控制技術020406080100120140 16018020406080100120140160180=90=

8、75=60=45=30=15=0 (e) 導通角 與控制角 的關系曲線（以負載阻抗角 為參變量），可求出，由時，aaaRLtg180,1cossin)(tgeatg6.2.2 電阻、電感性負載（續(xù)2） 電力電子學電力電子變換和控制技術IITIVitgTOTTavOTtaaaRL2,),(,11180及再求，可求出，由時，cos)2cos(sinaZVSTI（f）晶閘管電流的標么值 與控制角 的關系曲線*TIcos2)2cos(sin22122/*TSSTTIVZZVII6.2.2 電阻、電感性負載 （續(xù)3）電力電子學電力電子變換和控制技術例題例題6-1單相交流調(diào)壓器控制230v交流電源的輸出功

9、率，負載電阻為23、感抗為23 ，求（1） 角控制范圍；（2）最大電流有效值；（3）最大功率和功率因數(shù)。解: (1)42323arctanarctanminRLmax； (2)min時，最大電流有效值OI為：ALRVIO07. 72323230)(2/1222/122(3) 最大功率 ( 時 )WRIPO322max1015. 107. 723707. 007. 72301150視在功率有效功率功率因數(shù)注：在 的非正弦電流工作情況下，功率因數(shù)將小于基波相移因數(shù)。 minmin電力電子學電力電子變換和控制技術S3,S4: 負載續(xù)流開關S1S4:自關斷功率器件*6.2.3 PWM交流電壓控制器優(yōu)點

10、：輸出電壓諧波含量少電力電子學電力電子變換和控制技術6.3 三相全波交流電壓控制器三相全波交流電壓控制器 電力電子學電力電子變換和控制技術6.3.1 三相Y聯(lián)結電壓控制器ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T(a) 電路六個晶閘管六個晶閘管T1T6的觸發(fā)信號依序相差的觸發(fā)信號依序相差60，脈寬大于脈寬大于60 ，各相電源由負變正的過零點為，各相電源由負變正的過零點為控制角控制角 計算起點計算起點ABCNCAVBCVABV(b)矢量圖AVBVCVT T6 6T T5 5T T6 6T T2 2T5T T4 4T T2 2T T3 3T T1 1T T1 1V0t0)(c晶閘管導通區(qū)間

11、控制角控制角 a=0，三相同時導電，三相同時導電， 180導電導電 。電力電子學電力電子變換和控制技術ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T(a) 電路0AVBVCVt060IIIIII1T3T2T4T5T6TuAiABVACVBCVRVAB20600)(dtuRVAC26.3.1 三相Y聯(lián)結電壓控制器(續(xù)1)a=60 兩相同時導電， 120導電電力電子學電力電子變換和控制技術6.3.1 三相Y聯(lián)結電壓控制器(續(xù)2)ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T(a) 電路AVBVCVIIIIII1T3T2T4T5T6TAiuCBVABVACVt00120)(ae0012001

12、50tuRVAB2RVAC2a=150 : 完全不能導電。a=120 : 兩相間斷導電， 導電角 小于120。電力電子學電力電子變換和控制技術6.3.1 三相Y聯(lián)結電壓控制器(續(xù)3)工作狀態(tài)小結：工作狀態(tài)小結：（1） a30：處于：處于第一類工作狀態(tài)（三相同時導電）。第一類工作狀態(tài)（三相同時導電）。（2）30 a 60：每隔：每隔30交替地出現(xiàn)第一類和第二類交替地出現(xiàn)第一類和第二類 工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。（3） 60 a 90 ：處于：處于第二類工作狀態(tài)（兩相同時導電）第二類工作狀態(tài)（兩相同時導電）（4） 90 a 150 電路全斷流，不能工作。電路全斷流，不能工作。 所以電阻負載控制角所以電阻

13、負載控制角a 的調(diào)控范圍為：的調(diào)控范圍為： 0 150 三相阻感性負載，分析方法與單相電路相同。三相阻感性負載，分析方法與單相電路相同。電力電子學電力電子變換和控制技術6.3.2 三相開口三角形電壓控制器 ABiBCiCAiAiBiCiRRRLLL1T2T3T4T5T6TABCou圖 6.7 三相開口三角形電壓控制器BCCACABBCBCAABAiiiiiiiii的倍數(shù)次諧波電流次及中無33,iiiCBA繞組相電流小于輸入線電流 可看作三個獨立的單相電可看作三個獨立的單相電 路分別分析。路分別分析。電力電子學電力電子變換和控制技術*6.4 變壓器抽頭電壓控制器變壓器抽頭電壓控制器 的包絡線為：

14、OABDHKG優(yōu)點：負載電優(yōu)點：負載電壓、電流諧波壓、電流諧波可控性好，可控性好， 輸入電流的諧輸入電流的諧波含量少波含量少圖中輸出電壓OV2VVO21VVVO;ktk) 1( ktkK=0,1,2.電力電子學電力電子變換和控制技術*6.5 晶閘管相控交流交流直接變頻器晶閘管相控交流交流直接變頻器 電力電子學電力電子變換和控制技術6.5.1 基本工作原理基本工作原理 正反組單相全控橋變流器并聯(lián)(類似直流可逆主電路)構成單相輸出的相控交交直接變頻器?？刂普唇M變流器的 隨時間周期性變化，負載端電壓就成為頻率可控的交流電壓。p、圖(d)表明：負載輸出電流與輸出電壓不同相位時，正反組變流器在不同時段

15、工作在整流或有源逆變工況。所以，半控橋變流器不能構成交交變頻器。nn電力電子學電力電子變換和控制技術 改變相控角 (或 )只能在輸出電壓一個脈波周期中得到一個輸出電壓平均值，因此：6.5.1 基本工作原理（續(xù)）基本工作原理（續(xù)）2. 輸出相同頻率的交交變頻器，拓撲結構輸入的相數(shù)越多，脈波數(shù)越多，輸出電壓的脈波數(shù)就越多，諧波含量越少。p輸出電壓波形改善相控交交變頻器輸出波形的措施1. 相同拓撲結構的相控交交變 頻 器輸出頻率越低，輸出電壓的脈波數(shù)越多，諧波含量越少。n電力電子學電力電子變換和控制技術6.5.2 實用電路結構 三相交交變頻器每相采用的晶閘管元件越多，輸出波形越好電力電子學電力電子變

16、換和控制技術 缺點：缺點： 輸出頻率低輸出頻率低 晶閘管用量多，且控制復雜晶閘管用量多，且控制復雜 輸入功率因數(shù)低輸入功率因數(shù)低 交流電源輸入電流諧波嚴重，且難于抑制交流電源輸入電流諧波嚴重，且難于抑制6.5.3 交流交流相控直接變頻的優(yōu)缺點 適用范圍：大功率可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng) 優(yōu)點：優(yōu)點： 只需一級變換環(huán)節(jié)只需一級變換環(huán)節(jié) 晶閘管工作在自然換流工況晶閘管工作在自然換流工況 能量可雙向傳遞，易實現(xiàn)電機的四象限運行能量可雙向傳遞，易實現(xiàn)電機的四象限運行 低頻輸出時可獲得較高質(zhì)量的正弦電壓波形低頻輸出時可獲得較高質(zhì)量的正弦電壓波形電力電子學電力電子變換和控制技術*6.6 矩陣式交流交流變頻器矩陣式交流交

17、流變頻器6.6.0 引言6.6.1 矩陣式交交變頻器的控制方法6.6.3 矩陣式交交變頻器的優(yōu)缺點電力電子學電力電子變換和控制技術6.6.0 引言引言交流交流直接變頻器中的半控元件晶閘管改為全控元件（如IGBT）可以構成矩陣式交交直接變頻器（Matrix AC-AC Converter）圖圖6.11 矩陣式交矩陣式交-交變頻器交變頻器圖（a）中任一開關都是雙向可控開關對圖（a）中的9個雙向開關器件進行高頻SPWM控制，就可獲得頻率、電壓均可調(diào)控的三相對稱的交流輸出電壓圖（b）是構成雙向開關的方案之一電力電子學電力電子變換和控制技術6.6.1 矩陣式交交變頻器的控制方法圖6.11a中的輸出電壓avbvcv、 、 滿足以下關系CBACcBcAcCbBbAbCaBaAacbavvvSSSSSSSSSvvv矩陣中9個開關函數(shù)表明了圖6.11a中9個可控開關（18個IGBT）的工作狀態(tài) 滿足矩陣函數(shù)關系 不造成交流電源兩相短路 不引起感性負載開路過電壓其開通、關斷切換原則：四步換流法是滿足上述要求的控制方案之一電力電子學電力電子變換和控制技術6.6 .2 矩陣式交交變頻器的優(yōu)缺點優(yōu)點：1. 自關斷元件工作頻率高，采用SPWM波工作方式可獲得較理想的正弦電壓2. 輸出波形交流輸入功率因數(shù)高3. 交流輸入電流諧波頻率高